Calcul du gain d'un ampli

[PM-300B]

Bonjour à tous.

Petit poste purement théorique dont je ne connais rien (ou pas grand chose) sur le sujet du gain total d'un ampli à tubes.
Ci dessous un schéma simple d'un ampli SE 300B avec une 6SN7 et driver. (schéma AudioNote Quest)

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Comment peut-on calculer son gain?
la 6SN7 a un gain de 20 je crois
La 300B 3.9
Puis un transfo 2.7k/4-8Ohms

Est-ce que l'on ajoute les gains de la 6SN7 et de la 300B (20+3.9=23.9?)
Ou bien il y a un autre moyen?
Quel est l'influence du transformateur? Augmente le gain ou le diminue?

Lorsque l'on réalise un PSE en 300B (on passe de 9W à 18W) on augmente que le courant disponible ou bien la tension également? (lois d'ohm)

Voilà les questions de novice que je me pose, si vous pouvez y répondre simplement pour que je comprenne  

[francis ibre]

Bonjour Pascal,

il y a plusieurs façons de faire, plus ou moins précises, plus ou moins rapide...

Dans un premier temps, pour faire une estimation correcte et rapide, on peut faire un petit calcul en partant des "constantes" du tube, qu'on trouve dans sa fiche technique :
ce sont le µ, de 20 pour une 6SN7 et la résistance interne Ri, de 7700 ohms
Note bien que ces deux valeurs dépendent du point de fonctionnement choisi, mais pour une estimation on peut se baser sur les valeurs "théoriques".

L'amplification A d'un étage triode (en montage cathode commune, comme sur ton schéma) est donnée par cette formule :

A = µ Ra / (Ra + Ri) lorsque la résistance de cathode Rk est découplée par un condensateur

A = µ Ra / [ (µ + 1)Rk + Ra + Ri ]quand Rk n'est pas découplée

Dans le cas de ton schéma, la charge d'anode Ra est de 47 kO, et la triode a un µ de 20 et une Ri de 7,7 kO, ce qui donne :

A = 20 x 47000 / (47000 + 7700) = 17,18
Le gain en dB est donné par G = 20 log(A) = 20 log (17,18) = 24,7 dB

On verra plus tard qu'on peut aussi déterminer les "vraies" valeurs de µ et Ri au point de repos choisi, puis tracer une droite de charge, et déterminer graphiquement le gain en tension de l'étage... ce sera un peu plus précis et nous renseignera sur le taux de distorsion prévisible, la tension maximale possible en sortie pour attaquer la grille de la 300B.

Le même calcul sur le deuxième étage à triode 300B te donnera, avec une charge d'anode (primaire du transfo) de 2,7 kO, une résistance interne de 750 ohms et un µ de 3,9 :

A = 3,9 x 2700 / ( 2700 + 750) = 3,05 soit G = 9,69 dB

Le transfo de sortie quand à lui atténue la tension du signal, dans le rapport du nombre de spire, que l'on va calculer en partant des impédances primaire et secondaire : le rapport des impédances est le carré du rapport des tensions.
Avec un transfo 2700 : 8 ohms, on a donc un rapport d'impédance de : 2700 / 8 = 337,5
ce qui correspond à un rapport de tension de √337,5 = 18,37

Attention, il s'agit d'une atténuation, la tension de sortie est donc égale à 1 / 18,37 de la tension au primaire (sur l'anode de la 300B).
Le gain est donc négatif : G = 20 log (1/18,37) = –25,28 dB

De l'entrée à la sortie, on a donc un gain global qui est la somme des gains en dB des 3 étages successifs : G = 24,7 + 9,69 – 25,28 = 9,11 dB

On pourrait aussi calculer l'amplification totale en MULTIPLIANT les amplification A de chacun des étages :
A = 17,18 x 3,05 x ( 1/18,37) = 2,85... autrement dit la tension de sortie (aux bornes du HP) est de presque 3 fois la tension d'entrée.

Et en dB le gain est de G = 20 log (2,85) = 9,11 dB ...même résultat que plus haut, heureusement !

Après cela, on peut en déduire la sensibilité d'entrée de l'ampli, connaissant sa puissance maximale : ce SE de 300B sort au maximum 8 W sur charge de 8 ohms.
La tension de sortie se détermine aisément sachant que P = U² / Z... on en déduit que U = √PZ = √8 x 8 = √64 = 8 V...

Avec une amplification A = 2,85 pour avoir 8 V en sortie il faut appliquer en entrée un signal de E = U / A = 8 / 2,85 = 2,80 V... ce qui est assez élevé.
Cet ampli est donc "peu sensible" et si on l'attaque directement par un DAC sortant normalement 2 V on ne va pas moduler à fond !
Il faudra donc insérer un préampli donnant un peu de gain : une amplification de 1,4 à 2, soit un gain de +3 à +6 dB sera largement suffisant...

Tout cela est théorique, parce qu'on sait bien que les "constantes" des tubes ne sont pas constantes, que l'impédance de l'enceinte n'est pas de 8 ohms et varie avec la fréquence, mais ça donne une idée qui permet d'éviter certaines erreurs comme celle d'un préampli donnant +20 dB de gain par exemple.

Dernier point : avec deux tubes 300B en parallèle (PSE) on divise par deux la résistance interne de l'étage, mais on doit aussi diviser par deux la charge d'anode.
On aura donc un étage de puissance avec Ri = 375 ohms, chargé par un transfo de rapport 1,35 kO : 8 ohms...
Et cela donnera A = 3,9 x 1350 / (375 + 1350) = 3,05... donc A n'a pas changé !
Le gain global de l'ampli ne change donc pas non plus !

Mais le transfo de sortie est différent : son primaire a moins de spires puisqu'il doit donner 1350 ohms au lieu de 2700, et son entrefer doit être deux fois plus large puisque le courant de repos au primaire va doubler !
Et comme la puissance maxi sera doublée on doit aussi utiliser un noyau de section double, donc de dimension √2 plus grand, donc presque 3 fois plus gros, 3 fois plus lourd, 3 fois plus cher...

Musicalement, un transfo 3 fois plus gros, avec un entrefer large et moins de spires ne donnera pas un résultat supérieur, et risque même d'être déséquilibré.

Bon, ça suffira pour ce soir
Francis

[jimbee]

Dernier point : avec deux tubes 300B en parallèle (PSE) on divise par deux la résistance interne de l'étage, mais on doit aussi diviser par deux la charge d'anode.
On aura donc un étage de puissance avec Ri = 375 ohms, chargé par un transfo de rapport 1,35 kO : 8 ohms...
Et cela donnera A = 3,9 x 1350 / (375 + 1350) = 3,05... donc A n'a pas changé !
Le gain global de l'ampli ne change donc pas non plus !

Si l'ampli passe de, par exemple, 8W (se) à 16 W ( pse) on a +3 dB en gain en tension au secondaire par la modification
du rapport de transformation du tr.

[PM-300B]

Bonjour Francis.

Merci pour ces explications, c'est très clair et intéressant.

Je comprends mieux la démarche.
Si on veut augmenter le gain, on ajoute donc un étage entre le drive et la puissance. Mais ne risque t-on pas apporter de la saturation au niveau de la 300B?
Autre question, si on trouve qu'il y a trop de gain, est il possible en jouant sur la tension à l'anode d'abaisser le gain? (dans le cas où l'on à 2 étages en driver)

[trappeur]

on a +3 dB en gain en tension au secondaire par la modification
du rapport de transformation du tr.

Oui , c'est même la seule explication du doublement de la P max , car comme l'a montré Francis , le gain combiné de tous les étages n'a pas changé , ce qui implique que la tension modulée au primaire du transfo reste la même également , chaque tube voyant une charge double de celle du Z primaire à cause de la présence du second tube , c'est à dire la même charge qu'avant de changer le transfo , donc chaque tube produit la même puissance que s'il était seul sur l'ancien transfo , les deux tubes en // sur le nouveau transfo produisent donc bien le double de puissance.
Mais pour passer cette puissance doublée  au secondaire il faut bien augmenter la tension au secondaire en changeant le rapport de transformation : 3dB en tension nous donne un doublement en puissance sur un secondaire identique de même impédance.

A+

Edit : Si j'ai un transfo avec un secondaire multi impédance , au lieu de changer de transfo je peux brancher ma charge de 8 Ohms sur un secondaire 16 Ohms , je fais la même opération qu'en changeant de transfo , à savoir j'ai divisé par deux l'impédance rapportée au primaire en changeant le rapport de transformation (j'ai changé de secondaire)  
Question :Est ce que je peux maintenant monter deux tubes en // et obtenir le double de puissance sur ma charge de 8 Ohms ??

[fyl]

Il manque une section de 6SN7 sur le schéma publié. Le Quest utilise deux sections montées en cascade, avec couplage direct...

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[fyl]

Question :Est ce que je peux maintenant monter deux tubes en // et obtenir le double de puissance sur ma charge de 8 Ohms ??

Comme l'a écrit Francis, un transfo de sortie SE a un entrefer dimensionné pour accepter un courant continu donné, par exemple 70 mA pour une 300B, si l'on dépasse joyeusement cette valeur le champ disponible s'effondre et le transfo ne fait plus son boulot. Deux tubes en // = deux fois plus de courant, on passe de 70 à 140 mA, ce qui nécessite un transfo avec un entrefer beaucoup plus conséquent et pas mal de tôles supplémentaires pour conserver une bonne réponse à puissance doublée. Et comme l'inductance du primaire est inversement proportionnelle à la taille de l'entrefer, plus ce dernier est grand, moins est élevée la première, qui conditionne la réponse dans le grave. Plus toutes les autres joyeusetés des transfos.

[PM-300B]

Il manque une section de 6SN7 sur le schéma publié. Le Quest utilise deux sections montées en cascade, avec couplage direct...

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Non, ce schéma est un proto qui n'a jamais été mis en service, c'est l'ancien patron de Triode et compagnie qui me l'a confirmé, le schéma que j'ai posté est celui relevé sur un ampli qu'ils ont ouvert (au détail que sur le relevé c'est une 6J5, c'est à dire une demie 6SN7)

[fyl]

Non, ce schéma est un proto qui n'a jamais été mis en service, c'est l'ancien patron de Triode et compagnie qui me l'a confirmé, le schéma que j'ai posté est celui relevé sur un ampli qu'ils ont ouvert (au détail que sur le relevé c'est une 6J5, c'est à dire une demie 6SN7)

OK, donc ce n'est pas un Quest.

J'avais joué avec une topologie similaire, ça ne marche pas vraiment.

Si la simulation Spice du schéma présenté ici est OK en première analyse (genre point de repos à 164 V environ, polar de 1,1 V pour un courant de repos de 5,5 mA, avec Rk = 220R et Ra = 47K, B+ = 430 V) la disto est importante à haut niveau (signal asymétrique avec demi-alternance écrasée).

La droite de charge de la 6SN7GT est joliment basse, avec des droites CC/CA très proches, mais montre un courant passant aux environs de 3 mA sur les plus fortes excursions, laissant l'effet Miller de la 300B limiter la réponse dans l’aigu.

[Selkie_boy]

Si la simulation Spice du schéma présenté ici est OK en première analyse (genre point de repos à 164 V environ, polar de 1,1 V pour un courant de repos de 5,5 mA, avec Rk = 220R et Ra = 47K, B+ = 430 V) la disto est importante à haut niveau (signal asymétrique avec demi-alternance écrasée).

Bonjour Fly,
Le schéma n’est pas tres lisible, mais il me semble que Rk est plutôt à 2,2K (?).
Ça n’empêche que la 6SN7 n’est pas idéale pour driver une 300B. Pas assez de gain avec une seule et trop si l’on met deux 6SN7 en cascade.

Jean-Noël

[PM-300B]

[

Bonjour Fly,
Le schéma n’est pas tres lisible, mais il me semble que Rk est plutôt à 2,2K (?).
Ça n’empêche que la 6SN7 n’est pas idéale pour driver une 300B. Pas assez de gain avec une seule et trop si l’on met deux 6SN7 en cascade.

Jean-Noël

Oui, Rk est 2.2kO
J'ai en effet essayé une cascade de 6SN7 et oui, bien trop de gain, impossible de régler le niveau d'écoute avec des enceintes de 94dB.

Je vous met le relevé fait par le technicien de Triode et Compagnie. (6J5 sur le schéma, 6SN7 est 2x 6J5 dans le même tube si je ne me trompe pas)
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Pour le gain, d'où ma question sur la possibilité de le diminuer un sur un montage cascade.

[fyl]

Le schéma n’est pas tres lisible, mais il me semble que Rk est plutôt à 2,2K (?).

Rk à 2,2 K et 8 V donnent 3,64 ma, impossible de piloter correctement une 300B en large bande avec ses 100 pF de capacitance d'entrée (tube + filasse * gain).

Ça n’empêche que la 6SN7 n’est pas idéale pour driver une 300B. Pas assez de gain avec une seule et trop si l’on met deux 6SN7 en cascade.

On peut faire une cascade de 6SN7GT avec un gain de 50 à 70 et une sortie avec > 4 mA de courant. Par exemple, Broskie a proposé il y a dix ans une version donnant a = 55 (2 volts en entrée = 110 volts grille sur la 300B) et un peu plus de 5 mA en sortie, avec ses trucs Aikido habituels pour réduire le bruit d'alimentation. Et si on veut plus de gain, on ajoute un condo de cathode sur la première section et on obtient a = 68 environ.

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[fyl]

Je vous met le relevé fait par le technicien de Triode et Compagnie. (6J5 sur le schéma, 6SN7 est 2x 6J5 dans le même tube si je ne me trompe pas)

Vi, 6SN7GT = 2 x 6J5GT à quelques pouièmes près.

Côté schéma, ce n'est pas vraiment ma coupe de thé : condo de couplage de valeur trop élevée (du 220 nF serait beaucoup mieux adapté), dito pour les condos de cathode sur la 6J5GT et la 300B (47µF et 100µF suffisent amplement), Rg de 100K seulement sur la 300B (je mettrais le double) et, surtout, aucun équilibrage du filament, la ronfle est assurée si la chauffe est en alternatif - Audio Note fait dans la chauffe pas chère en continu avec du 7805 et un filtrage anémique, ce qui est sans doute encore pire (on ne le dira jamais assez, mieux vaut de l'alternatif bien fait que du continu bâclé).